DE69300750T2 - Verfahren zur Herstellung von Hohlfasermembranbund. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Konfiguration von Hohlfaserbündeln. Sie bezieht sich allgemein auf das Wickeln von Hohlfasermembranen auf einen zylindrischen Kern, um eine verbesserte Konfiguration des Membranbündels zu erzeugen, das in einen Modul eingesetzt wird, welcher zum Trennen von Komponenten einer Flüssigkeit, zur Dialyse oder zur Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeiten verwendet wird. Hinsichtlich eines bestimmten Aspektes ist das verbesserte Hohlfasermembranbündel bei der Trennung von Komponenten einer Gasmischung besonders nützlich.
Hintergrund der Erfindung
• Hohlfasern haben bei der Wärmeübertragung, beim Stoffaustausch und bei Stofftrennungen breite Anwendung gefunden. Bei Trennvorgängen ist es allgemein Praxis, die äußere Oberfläche von Hohlfasern, die aus einem halbdurchlässigen Material bestehen, das dazu neigt, einer oder mehrerer Komponenten der Mischung eine schnellere selektive Durchdringung der Faserwand in den Kern der Faser zu erlauben als einigen anderen Komponenten, mit einer unter Druck stehenden Fluidmischung zu beaufschlagen. Die stärker durchdringenden Komponenten werden deshalb relativ zu der Zusammensetzung, mit der die äußere Oberfläche der Faser unter Druck beaufschlagt wird, im Kern angereichert. Der auf der stromaufseitigen Oberfläche der Fasermembran zurückbleibende Rückstand des unter Druck stehenden Fluids wird dementsprechend mit den schwächer durchdringenden Komponenten angereichert. Die Inhalte des Kerns werden getrennt vom Rückstand des unter Druck stehenden Speisefluids, daß die äußere Oberfläche der Fasern entlangströmt, aus dem Modul entfernt. Dieser Prozeß erlangt zunehmende Bedeutung für die Trennung von Luft in seine Hauptbestandteile Sauerstoff und Stickstoff.
• Bei industriell brauchbaren Anwendungen wird bei jeder Installation eine relativ große Membranoberfläche benötigt. Folglich erfordert die praktische Anwendung von Hohlfasermembranen ein Zusammenfügen derselben in großer Anzahl zu einer Einheit, häufig als Bündel bezeichnet, die dann in einen Modul mit geeigneten Leitungen eingesetzt wird, um über die externen Oberflächen der Fasern ein Speisegemisch zu führen und Permeat aus den Faserkernen sowie den Speiserückstand zu entfernen.
• Eine alternative Anordnung für die Verwendung von Hohlfasern schafft eine Vorrichtung zum Einleiten von unter Druck stehendem Speisefluid in die Faserkerne, so daß das Durchdringen der stärker durchdringenden Komponenten vom Kern zur äußeren Oberfläche der Faser stattfindet. Die Anordnung der Zuführungs-, Permeat- und Rückstandsleitungen unterscheidet sich somit von jener mit "mantelseitiger" Zuführung. Obwohl sich die Strömungsdynamik des Kernzuführungs-Betriebes von jener der mantelseitigen Zuführung unterscheidet, ergibt sich für beide Fälle ein entscheidender Vorteil, wenn ein Faserbündel mit regelmäßiger und im wesentlichen gleichmäßiger Packungsdichte, angemessener Verteilung von Faserzwischenräumen und im wesentlichen gleichmäßiger Faserlänge verwendet wird.
• Bei mantelseitiger Zuführung sind insbesondere die Strömungsmuster des Speisefluids, des Rückstandes und des Permeats bei der Festlegung der Wirksamkeit der erwünschten Trennung sehr wichtig. Es ist allgemein bekannt, daß die Geometrie der Bündelanordnung auf diese einen bedeutenden Einfluß hat. Es ist erwünscht, daß das Speisegas auf der äußeren Oberfläche der Fasern sich in echter Gegenströmung gegen die Permeatströmung in den Faserkernen befindet. Weiter ist erwünscht, daß die Weglängen innerhalb der Kerne im wesentlichen gleichmäßig sind und die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten auf der Mantelseite sowohl relativ hoch als auch von Punkt zu Punkt innerhalb irgendeiner Ebene, die das Bündel im rechten Winkel zu seiner Längsachse schneidet, gleichmäßig sind.
• Diese verschiedenen Betrachtungen geben gewisse geometrische Anforderungen an das Bündel vor, die somit hohe Anforderungen an den Bündelherstellungsprozeß stellen. Erstens soll keine Schwankung der Faser-Faser-Packungsdichte vorhanden sein. Um eine relativ hohe mantelseitige Strömungsgeschwindigkeit zu erhalten, soll zweitens die Packungsdichte relativ hoch sein, nämlich in der Größenordnung von 50 - 70 %. Drittens soll die Speisefluidströmung längs der äußeren Oberfläche der Faser möglichst parallel zur Längsrichtung der Faser ausgerichtet sein, unabhängig davon, ob die Faser gerade verläuft oder einer gekrümmten Bahn folgt, was im allgemeinen erfordert, daß das Schlankheitsverhältnis (Bündellänge zu Bündeldurchmesser) wenigstens 3 bis 10 beträgt. Viertens ist es jedoch erforderlich, daß die Kernweglänge keine unerwünschte Beschränkung der Strömung und infolgedessen einen unerwünschten Permeatdruck ergibt.
• Bei dem Versuch, diese Aufgaben zu lösen, sind den Konfigurationen von Hohlfaserbündeln deshalb mehrere verschiedene Formen gegeben worden, einschließlich (a) Reihen von parallelen, geraden oder nahezu geraden Faserstücken; (b) Reihen von grob parallelen Stücken von gepreßten Fasern; (c) Stücke aktiver Fasern verwoben mit inaktiven Fasern; (d) zu Gruppen geflochtene Fasern; (e) Reihen von schraubenlinienförmig angeordneten Fasern, wobei sich eine gleiche Anzahl von linksgewickelten Fasern und von rechtsgewickelten Fasern abwechseln; und (f) schraubenlinienförmige Faserreihen, die einzelne Schichten umfassen, in welchen parallele Fasern, die alle in Linkswicklung liegen, an Fasern einer benachbarten Schicht grenzen, die alle in Rechtswicklung liegen, und in welchen keine Verflechtung von Fasern mit entgegengesetztem Wicklungssinn vorhanden ist.
• Die ersten beiden Anordnungen leiden im allgemeinen wenigstens unter einer geringen und manchmal einer beträchtlichen Schwankung der lokalen Faserpackungsdichte. Hieraus ergibt sich, daß die Strömung längs der Außenseite der Fasern in einigen Bereichen stark sein kann und in anderen im wesentlichen stillstehen kann, woraus eine ungünstige Auswirkung auf die Fluiddynamikanforderungen für eine optimale Trennleistung folgt. Die dritten und vierten Verfahren neigen dazu, eine gleichmäßigere Pakkungsdichte zu ergeben, führen jedoch zu Komplexität und hohen Kosten im Herstellungsverfahren.
• Die beiden letzten allgemeinen Ansätze berücksichtigen teilweise die Betrachtungen über die Packungsdichte, führen jedoch zu unerwünschten Strömungsstörungen. Ferner können sie an einer Faserlängengleichmäßigkeit leiden, sofern nicht die Steuerung des Wicklungswinkels der Fasern besonders beachtet wird. Sie sind jedoch hinsichtlich der Herstellung attraktiv und sind weitgehend ausgereizt worden, wie in den US-Patenten 3,794,468; 3,870,637; 4,045,851; 4,430,219; 4,572,446 und 4,631,128 dargestellt ist. In all diesen Fällen sind die Fasern auf ein Unterstützungselement gewickelt, daß sich konstant in eine Richtung dreht, während die Fasern in einer kontinuierlichen Bahn, die das Unterstützungselement von einem Ende zum anderen überquert, auf dem Unterstützungselement abgelegt werden. Die Kombination von Spindeldrehung und Faserüberquerung von Stirn zu Stirn führt zu einer Ansammlung von Faserstücken auf dem Unterstützungselement, die alle in schraubenlinienförmigen Bahnen verlaufen. Da die Drehung in eine Richtung fortgesetzt wird, wenn die Faserüberquerungsrichtung umgekehrt wird, liegt das Stück der auf jeder Querung von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende abgelegten Faser in einer Linkswicklungsrichtung, während die Überquerung vom zweiten Ende zurück zum ersten Ende in einer Rechtswicklungsrichtung liegt.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von diesen mehreren Verfahren des Standes der Technik dadurch, daß auch die Drehrichtung des Unterstützungselementes umgekehrt wird, wenn die Überquerungsrichtung umgekehrt wird, nachdem ein Stück der Faser auf dem Unterstützungselement abgelegt worden ist. Das Endergebnis besteht darin, daß aufeinanderfolgende Faserstücke auf dem Unterstützungselement abgelegt werden, die alle in der gleichen Wicklungsrichtung liegen. Es gibt kein Abwechseln von Stücken in Linkswicklungsrichtung und Stücken in Rechtswicklungsrichtung, wie von den US-Patenten 3,870,637; 4,045,851; 4,430,219 und 4,572,446 gelehrt wird. Ferner gibt es keine Anhäufung von Stücken in Linksrichtung auf einer Seite des Bündels und Stücken in Rechtsrichtung auf der anderen Seite, wie von den US Patenten 3,794,468 und 4,572,446 gelehrt wird.
• Vielmehr wird jedes folgende Faserstück in der gleichen Wicklungsrichtung auf dem Unterstützungselement abgelegt. Um zu vermeiden, daß diese Stücke übereinander abgelegt werden, werden die Umkehrung der Drehung und die Umkehrung der Überquerung leicht asynchron gesteuert, so daß aufeinanderfolgende Faserstücke parallel, jedoch längs des Umfangs des Unterstützungselements gegenüber dem vorangehenden Stück, das bei der vorangehenden Überquerung abgelegt worden ist, leicht verschoben abgelegt werden. Diese Beziehung wird für mehrere aufeinanderfolgende Drehungs- und Überquerungsumkehrungen beibehalten, bis die auf dem Kern abgelegten und in Umfangsrichtung verschobenen Faserstücke eine schraubenlinienförmige Reihe bilden, die das Unterstützungselement vollständig umschließt. Dieser Vorgang kann ohne Veränderung der Wicklungsrichtung und mit aufeinanderfolgenden Stücken, die längs des Umfangs verschoben sind, fortgesetzt werden, bis eine oder mehrere zusätzliche vollständige Bündellagen aufgebracht sind.
• Wenn eine gewünschte Anzahl von Faserstücken abgelegt worden ist, bilden sie eine Schicht, in der alle Fasern den gleichen Wicklungswinkel und die gleiche Richtung besitzen. Dann wird die Wicklungsrichtung geändert, indem eine Umkehrung der Unterstützungselementdrehung ausgelassen wird, wenn eine Überquerungsumkehrung stattfindet. Während mehrere vorangehende Faserstücke alle z. B. in Linkswicklungsrichtung abgelegt worden sind, wird somit durch Fortsetzen der Drehung des Unterstützungselementes in die gleiche Richtung zum Zeitpunkt der Überquerungsumkehrung das nächste Stück in Rechtswicklungsrichtung abgelegt. Diese neue Kombination von Überquerungs- und Drehungsumkehrung wird dann wie gewünscht so oft wiederholt, bis eine zweite Schicht von Faserstücken, die alle ohne irgendwelche Verflechtungen in Bahnen mit entgegengesetztem Wicklungssinn liegen, auf der vorangehenden Schicht abgelegt worden ist, wobei jede Schicht den Umfang des Unterstützungselements und alle vorher darauf abgelegten Faserschichten vollständig umschließt.
• Jede Schicht, ob direkt auf das Unterstützungselement oder auf eine bereits derart abgelegte Schicht aufgebracht, kann mit einem ausgewählten Wicklungswinkel ausgebildet werden, der eine bestimmte Faserlänge von Stirn zu Stirn erzeugt. Somit können die Fasern, die dem Unterstützungselement am nächsten sind, in einem größeren Winkel zur Kernachse liegen als jene in den äußeren Schichten. Alle Wicklungswinkel betragen im allgemeinen wesentlich weniger als 90º und meist weniger als 45º. Letzteres ist keine Notwendigkeit der vorliegenden Erfindung, obwohl Fachleute erkennen werden, daß Faserstücke mit kleinem Winkel zur Kernachse für den Gegenstrombetrieb besser orientiert sind.
• Das Verfahren zur Herstellung des Hohlfasermembranbündels gemäß dieser Erfindung kann in einer Reihe von Schritten definiert werden, in denen die Membran um einen zylindrischen Kern gewickelt wird. In einem ersten Schritt wird die Faser auf einem Unterstützungselement abgelegt, das vorzugsweise ein drehbarer zylindrischer Dorn ist, dessen Drehrichtung umgekehrt wird, wenn der Faserablegepunkt ein Ende des Bündels erreicht und ein Zurückkehren zum anderen Ende des Bündels veranlaßt wird. Diese Drehungs- und Überquerungsumkehrungen sind etwas asynchron, so daß der momentane Punkt, von dem aus die Faserbahn aufgrund einer Umkehrung der Überquerungsrichtung beginnt zurückzukehren, gegenüber dem Punkt, in dem sie das Ende der vorangegangenen Überquerung erreicht hat, längs des Umfangs des Unterstützungselements etwas verschoben ist, so daß die Faserbahnen aufeinanderfolgender Ablagen nicht übereinanderliegen. Die Faserstücke bilden eine Schicht, die das Unterstützungselement vollständig umschließt; sie besitzen eine gemeinsame Wicklungsrichtung und einen Wicklungswinkel von im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, weniger als 45º zur Kernachse. Die Hohlfaser wird in einem stabilen Zustand von einem ersten Punkt bei oder nahe einer Kante der Dornoberfläche bis zu einem zweiten Punkt, der bei oder nahe der gegenüberliegenden Kante der Dornoberfläche liegt, abgelegt, wobei während dieses Ablegens der Faser von einer Kante des Dorns zur anderen der Dorn in eine Richtung um seine Achse gedreht wird, so daß die Bahn der Faser in einem Winkel zur Achse liegt. Das Verfahren wird fortgesetzt, indem die Faser von einem dritten Punkt bei oder nahe der zweiten Kante der Dornoberfläche zu einem vierten Punkt bei oder nahe der ersten Kante der Oberfläche abgelegt und der Dorn während dieses Schrittes mit einer konstanten Geschwindigkeit, die derjenigen des ersten Schrittes entspricht, jedoch in die dem ersten Schritt entgegengesetzte Drehrichtung gedreht wird, so daß die Bahn der abgelegten Faser im letzteren Schritt parallel zur Bahn der im ersten Schritt abgelegten Faser ist, jedoch nicht mit dieser zusammenfällt. Das Verfahren wird dann fortgesetzt, indem die Faser in vielen Durchläufen auf der Dornoberfläche hin und her abgelegt wird, wobei diese Durchläufe von Punkten bei oder nahe der ersten Kante der Oberfläche zu Punkten bei oder nahe der zweiten Kante und von Punkten bei oder nahe der zweiten Kante zurück zu Punkten bei oder nahe der ersten Kante führen, während sich der Dorn mit einer konstanten Geschwindigkeit, jedoch für die wechselweisen Bahnen längs des Dorns in verschiedene Richtungen dreht. So legt jeder Durchlauf eine Faser längs einer Bahn ab, die parallel zu den Bahnen der vorher abgelegten Faser ist, diese jedoch nicht überlappt, bis in einer ersten Schicht ein gewünschter Packungsanteil der Faser auf der Oberfläche erhalten wird Anschließend werden die gleichen Schritte wiederholt, um auf der ersten Schicht eine zweite Schicht von Fasern abzulegen. Wenn die zweite Schicht gebildet wird, definiert die erste Schicht die Oberfläche des Dorns, auf der die zweite Schicht ausgebildet wird, wobei diese Schritte für die folgenden Faserschichten wiederholt werden, bis ein Bündel der gewünschten Dicke erhalten wird.
• Das verbesserte Fluidtrennbündel der Hohlfasermembran kann in einen Fluidtrennmodul eingesetzt werden. Das Bündel besitzt eine zylindrische Form und einen ringförmigen Querschnitt und besteht aus mehreren Hohlfaserschichten, wobei die Fasern der jeweiligen Schichten zueinander parallel in Bahnen liegen, die mit der Symmetrieachse des Bündels einen Winkel von vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, weniger als 45º bilden.
In den Zeichnungen ist
• Fig. 1 eine in vier aufeinanderfolgenden Ansichten gezeigte schematische Darstellung einer Faser, die gemäß den Verfahren des Standes der Technik auf einem zylindrischen Dorn abgelegt wird;
• Fig. 2 eine in vier aufeinanderfolgenden Ansichten gezeigte schematische Darstellung einer Faser, die gemäß dem Verfahren dieser Erfindung auf einem zylindrischen Dorn abgelegt wird;
• Fig. 3 eine schematische Darstellung der relativen Positionen eines umlaufenden Wicklungsarms, der eine Faser auf einen zylindrischen Dorn wickelt, wobei der Dorn flache Stirnflächen besitzt;
• Fig. 4 eine schematische Darstellung der relativen Bewegung eines Wicklungsarms und eines zylindrischen Dorns, in der der Dorn gerundete Stirnflächen besitzt;
• Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Dorns, auf dem unter Verwendung einer Überquerungsführung statt eines Wicklungsarms eine Faser abgelegt wird;
• Fig. 6 eine in vier Ansichten gezeigte schematische Darstellung des linearen Verlaufs einer Faser auf einem zylindrischen Dorn, die unter Verwendung einer Überquerungsführung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, abgelegt wird.
Genaue Beschreibung der Erfindung
• Diese Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Hohlfasermembranbündels für die Verwendung in einem Fluidtrennmodul und schafft ferner ein verbessertes Faserbündel, bei dem der Packungsanteil der Fasern über den gesamten Querschnitt und über die Länge des Faserbündels gesteuert wird. Die Erfindung verwendet einen Wechsel der Drehrichtung eines zentralen Dorns, auf dem das Faserbündel ausgebildet wird, wobei dieser Wechsel der Drehrichtung asynchron zu jeder Überquerung der Faserspendervorrichtung stattfindet. Auf diese Weise wird die Faser auf der Oberfläche des Dorns oder auf bereits abgelegte Schichten, die als Dornoberfläche dienen, parallel zu den vorangehenden Faserstücken im gleichen Wicklungssinn, jedoch nicht auf denselben, abgelegt. Aufeinanderfolgende Faserstücke füllen eine in Umfangsrichtung vollständige Umgebung aus. Es kann ein Wicklungsarm verwendet werden, um die Faser mittels einer kreisförmigen Bewegung um den Dorn abzulegen, wie es in der obenerwähnten US 4,572,446 gezeigt und beschrieben ist. Durch den Vorgang gemäß dieser Erfindung sind die Sehnenlängen der über die Stirnflächen des Dorns abgelegten Faser an jeder Stirnfläche gleich, wobei die Achse des Dorns und die Ebene des Faserspenderarmes parallel gehalten werden. Dadurch kann der Dorn während des Wikkelns an jeder Stirnfläche unterstützt werden, was bei der Herstellung von Bündein, die relativ zu ihrem Durchmesser verhältnismäßig lang sind, besonders wichtig ist. Wenn der Dorn z. B. ein Längen-Durchmesser-Verhältnis größer als 2 besitzt, ist von Vorteil, wenn der Dorn an beiden Enden axial unterstützt werden kann, während das Faserbündel ausgebildet wird, wobei diese Erfindung einen solchen Betrieb ermöglicht.
• Bei dem verbesserten Verfahren dieser Erfindung ist es möglich, die Faser in einem spitzen Winkel von weniger als 45º zur Symmetrieachse des Faserbündels aufzulegen. Dieser Winkel ist für alle Fasern in jeder Schicht gleich, wobei die Fasern in jeder Schicht in parallelen Bahnen ohne Überkreuzungen, die den Packungsanteil verringern, liegen. Dabei wird ein enger Abstand der Fasern erreicht, wobei z. B. leicht Packungsanteile in der Größenordnung von ungefähr 0,5 bis 0,7 erreicht werden, wobei z. B. bei einem Packungsanteil von 0,5 der Abstand zwischen den Mitten aufeinanderfolgender Fasern das 1,57fache des Faserdurchmessers beträgt. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Fasern in jeder Schicht parallel, wobei die Winkel der Fasern in benachbarten Schichten einander entgegengesetzt sind und die Fasern in jeder einzelnen Schicht in parallelen Bahnen, jedoch in einem Winkel zu jenen in den benachbarten Schichten verlaufen. Das Bündel kann auch mit einem Packungsanteil ausgebildet werden, der über den Radius des Bündels konstant ist, wobei der Faserwinkel bezüglich der Achse über den Radius des Bündels konstant gehalten oder verändert werden kann. Aufgrund dieser Eigenschaften können eine gleichmäßige Strömung des Fluids durch das Faserbündel mit einem minimalen Druckabfall sowohl innerhalb als auch außerhalb der Fasern und eine wirtschaftliche Auslegung erreicht werden. Einer der besonderen Vorteile dieser Erfindung besteht darin, daß das Faserbündel derart ausgebildet werden kann, daß die Anzahl und die relative Position der Schichten, in denen die Fasern parallel sind, und der Schichten, in denen die Fasern in Winkeln zu den Fasern in den anderen Schichten liegen, in die Konstruktion und des Bündels einberechnet werden können, um die gewünschten Merkmale der Fluidströmung für bestimmte Fluidtrennungen und deren Anforderungen für eine hohe Produktivität zu erreichen.
• Für das Verständnis dieser Erfindung ist es hilfreich, die Funktionsweise der Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung von Hohlfaserbündeln zu verstehen, die ähnlich zu sein scheinen, jedoch deutlich unterschiedliche Ergebnisse liefern. Fig. 1 zeigt einen Vorgang des Standes der Technik in vier aufeinanderfolgenden schematischen Ansichten 1a, 1b, 1c und 1d. In jeder der Ansichten a bis d der Fig. 1 wird der Dorn kontinuierlich in die durch den Pfeil 13 gezeigte Richtung im Uhrzeigersinn gedreht. Die Beschreibung wendet das gleiche Verfahren auf die erste Schicht, die auf dem Dorn abgelegt wird, und auf die folgenden Schichten von Fasern, die auf den Schichten der vorher abgelegten Fasern ausgebildet werden, an. Die Faser, die an einem Punkt der Dornoberfläche angebracht ist, wird von einem Wicklungsarm in der Ebene ABCD abgegeben und verläuft vor dem Dorn abwärts zum Punkt 2, während sich der Dorn um einen kleinen Winkel βs dreht. Die Faser läuft dann über die untere Stirnfläche 12 des Dorns von Punkt 2 zu Punkt 3, wobei sie zwischen diesen beiden Punkten einer Bahn folgt, die durch die gepunktete Linie dargestellt ist. Währenddessen dreht sich der Dorn um einen kleinen Winkel βe. Dies ist in der Ansicht 1b gezeigt. Der Vorgang wird wiederholt, wie in den Ansichten 1c und 1d gezeigt ist, um die Rückkehrbahn der Faser von Punkt 3 zu Punkt 4 auf der oberen Kante des Dorns 10 zu vervollständigen, wobei einer Bahn gefolgt wird, die durch die gepunktete Linie von Punkt 3 auf der Oberfläche 12 zu Punkt 4 auf der Stirnfläche 11 dargestellt ist. Während die Faser von Punkt 3 zu Punkt 4 abgelegt wird, wird der Dorn 10 ebenso um einen kleinen Winkel gedreht, der gleich dem Winkel βs ist. Schließlich wird die Faser über die Stirnfläche 11 des Dorns vom Punkt 4 zum Punkt 5 abgelegt, während sich der Dorn 10 in Uhrzeigerrichtung um den Winkel βe dreht. Punkt 5 ist von Punkt 1 auf der Kante des Dorns 10, an der dieser an die Stirnfläche 11 angrenzt, beabstandet, wobei der Abstand zwischen den Punkten 1 und 5 durch den Gesamtdrehwinkel (2βs + 2βe) während einer Drehung des Wicklungsarmes bestimmt wird. Um einen praktikablen Packungsanteil für die Faser zu erreichen, muß dieser Gesamtdrehwinkel relativ klein sein, wobei demzufolge der Winkel der Faser zur Dornachse hauptsächlich durch den Winkel zwischen der Wicklungsebene und der Achse des Dorns bestimmt wird. Dieser Winkel wird begrenzt durch das relative Verhältnis von Durchmesser zu Länge des Dorns und der erlaubten Position der Sehnen zwischen den Punkten 2 und 3 auf den Endabschnitten 12 und zwischen den Punkten 4 und 5 auf der Dornstirnfläche 11, die die Faser ohne Verrutschen halten. Wenn der Winkel zwischen der Wicklungsebene und der Dornachse zu flach ist, neigen die Fasern dazu, in benachbarten Schichten eingebettet zu werden, was zu übermäßig starkem lokalen Strömungswiderstand führen kann. Eine Erhöhung dieses Winkels in der Weise, wie in der US 4,572,446 beschrieben ist, erfordert ein Kreuzen der Wicklungsebene mit der Achse des Dorns, was nur dann zulässig ist, wenn der Dorn während des Wickelns insgesamt nur an einem Ende unterstützt wird. Dies ist für die Wicklung langer Bündel selbstverständlich undurchführbar.
• Mit Bezug auf Fig. 2 wird das Ablegen der Faser gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 2 zeigt vier aufeinanderfolgende Ansichten (2a, 2b, 2c und 2d) . In jeder Ansicht ist der Dorn 16 mit flachen Stirnflächen 18 und 19 dargestellt, wobei sich der Dorn 16 um eine Achse 17 dreht, wie in Ansicht 2a gezeigt ist. In den Ansichten 2a und 2b dreht sich der Dorn 16 im Uhrzeigersinn, wie durch die Pfeile 20 gezeigt ist. Währenddessen dreht sich ein nicht gezeigter Wicklungsarm in einer durch ABCD gezeigten Ebene in die Richtung, die durch den Pfeil 21 gezeigt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Drehebene des Wicklungsarmes liegt parallel zur Achse 17 des Dorns. Eine gewisse Winkelausrichtung zwischen der Drehebene des Wicklungsarmes und der Achse des Dorns ist zulässig, jedoch wird gemäß dem Verfahren dieser Erfindung kein solcher Winkel eingestellt, um für die Faser eine stabile Sehnenlänge zu erreichen, wenn sie über die flachen Stirnflächen des Dorns läuft. Wie in Fig. 2a gezeigt, wird die Faser vom Punkt 1 auf der Kante des Dorns 16 an der Stirnfläche 18 zum Punkt 2 an der gegenüberliegenden Kante des Dorns 16 an der Stirnfläche 19 abgelegt. Während der Wicklungsarm entlang der Ebene von A nach B wandert, dreht sich der Dorn um βs im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 20 gezeigt ist. Wie in Ansicht 2b gezeigt, wird die Faser über die Stirnfläche 19 vom Punkt 2 zu Punkt 3 abgelegt, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, während der Wicklungsarm in seiner Drehebene von B nach C weiterläuft. Gleichzeitig dreht sich der Dorn 16 um den Winkel βe im Uhrzeigersinn. Als Folge davon wird die Faser auf einer Sehnenlinie von Punkt 2 zu Punkt 3 abgelegt, wobei diese Strecke größer ist als jene für den Fall, in dem der Dorn nicht gedreht wird, und größer ist als jene für den Fall, in dem der Dorn im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Wenn der Wicklungsarm mit der Drehung fort fährt und in seiner Drehebene durch die Punkte C und D läuft, wird die Drehung des Dorns umgekehrt, so daß dieser mit der gleichen Geschwindigkeit wie bei der Drehung im Uhrzeigersinn in den Ansichten 2a und 2b im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, wie durch die Pfeile 22 gezeigt ist. Dies ist in der Ansicht 2c gezeigt, wobei während dieser Zeitspanne die Faser auf der Dornoberfläche vom Punkt 3 auf der Kante der benachbarten Dornseite 19 zum Punkt 4 auf der Kante der benachbarten Dornstirnfläche 18 abgelegt wird. Dies ist durch die gestrichelte Linie von Punkt 3 zu Punkt 4 gezeigt. Wie in Ansicht 2d gezeigt, wird der Dorn im Gegenuhrzeigersinn weiter gedreht, wie durch die Pfeile 22 gezeigt ist, während sich der Wicklungsarm dreht und in seiner Ebene von Punkt d nach Punkt a läuft, wobei die Faser auf der Stirnfläche 18 von Punkt 4 bis Punkt 5 abgelegt wird. Während die Faser vom Punkt 3 bis zum Punkt 4 auf der Oberfläche des Dorns (Ansicht 2c) abgelegt wird, dreht sich der Dorn um den Winkel βs, während der Dorn um den Winkel βe gedreht wird, wenn die Faser über der Stirnfläche 18 (Ansicht 2d) abgelegt wird, wobei diese Winkel den gleichen Drehwinkeln entsprechen, die in den Ansichten 2a und 2b gezeigt sind. Punkt 5 ist zu Punkt 1 auf der Kante des Dorns nahe der Stirnfläche 18 benachbart und derart beabstandet, daß er um ein Maß, das der erforderlichen Teilung zwischen den Mitten der Fasern entspricht, vor oder hinter dem Punkt 1 angeordnet ist, um den korrekten Packungsanteil zu erreichen. Der Vorgang wird dann wie von Punkt 1 bis Punkt 2 mit einer umgekehrten Dorndrehung im Uhrzeigersinn fortgesetzt, wobei die in den Ansichten 2a bis d gezeigten Schritte wiederholt werden. Die Faserbahnen von Punkt 1 zu Punkt 2 und von Punkt 3 zu Punkt 4 sind auf der Oberfläche des Dorns 16 zueinander parallel, obwohl sie sich in der isometrischen Darstellung der Fig. 2 zu kreuzen scheinen, so daß bei wiederholt ausgeführten Wicklungen der Hohlfaser auf dem Dorn alle in einer einzigen Schicht abgelegten Fasern zueinander parallel liegen. Ferner ist βs + βe gleich 180º plus oder minus 1/2 βp, wobei βp der Winkel für die erforderliche Teilung zwischen den Fasern ist. Der Winkel zwischen der Faser und der Dornachse wird durch Veränderung von βs eingestellt, wobei die Drehebene des Wicklungsarms parallel zur Dornachse liegt.
• Die Beziehung zwischen βs und βe wird durch die Zeitspanne, die benötigt wird, um die Dorndrehung umzukehren, sowie durch die Form der Dornstirnflächen bestimmt. In Fig. 3 ist die Drehung des Wicklungsarms um einen Dorn mit flachen Stirnflächen dargestellt. Während die Faser von Punkt B zu Punkt C über die Stirnfläche des Dorns abgelegt wird, dreht sich der Arm um den Winkel Φ. Während die Faser von Punkt C zu Punkt D in Längsrichtung des Dorns abgelegt wird, dreht sich der Arm um den Winkel Φs. Diese Winkel werden bestimmt durch die relativen Geometrien des Dorns und des Wicklungsarms, so daß
• und Φe + Φs = 180º
• wobei L = Länge des Dorns (oder Bündels)
• RM = Radius des Dorns (oder Bündels)
• RW = Radius des Wicklungsarms
• Die Beziehung zwischen den Winkeln der Dorndrehung und der Wicklungsarmdrehung ist gegeben durch
• βs/βe = Φs/Φe
• Die feste Beziehung zwischen Φe und Φs kann modifiziert werden, indem für die Stirnflächen des Dorns eine andere Form vorgesehen wird. Das Verhältnis von Φs zu Φe kann wie in Fig. 4 gezeigt verringert werden, indem ein Berührungswinkel Φc der Faser mit dem Dorn vorgesehen wird, der so beschaffen ist, wie er bei einem konischen Ende mit einem Scheitelwinkel gleich 2Φc erhalten wird. Ein so geformtes Ende dient auch dazu, die Faser auf einer gekrümmten Bahn über das Ende des Dorns abzulegen, so daß sie nicht die Antriebsspindel des Dorns schneidet. Somit wird eine beträchtliche Flexibilität für die Steuerung des Wicklungswinkels der Faser bezüglich der Achse des Bündels geschaffen.
• Wenn auf der Oberfläche des Dorns eine vollständige Schicht ausgebildet worden ist, wird über der ersten Schicht, die die Oberfläche des Dorns bildet, auf der die zweite Schicht ausgebildet wird, die nächste Schicht gewickelt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis ein Bündel der erforderlichen Dicke ausgebildet worden ist. Diese Vorgehensweise mit fortlaufender Umkehrung der Drehung des Dorns zwischen den jeweiligen Ablegebahnen für die Faser auf der Dornoberfläche erzeugt ein Bündel, bei dem alle Fasern in zueinander parallelen oder weitgehend parallelen Bahnen liegen. Die Länge der abgelegten Fasern kann durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Dorns genauer entwickelt werden, während das Faserbündel an Dicke zunimmt. Da während des Ablegens zusätzlicher Faserschichten der Betriebsdurchmesser und der Oberflächeninhalt der Dornoberfläche zunimmt, kann die Drehzahl des Dorns jeweils etwas verringert werden, wenn das Hinzufügen eäner Faserschicht die effektive Oberfläche des Dorns vergrößert, so daß über das gesamte Bündel eine konstante Faserlänge erreicht wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Faserbündel derart aufgebaut, daß alle Fasern in jeder Schicht in zueinander parallelen Bahnen liegen, jedoch die Fasern in benachbarten Schichten in einem entgegengesetzten Winkel quer über den Fasern in den anderen benachbarten Schichten liegen. Zum Beispiel kann eine erste Faserschicht Fasern enthalten, die alle in einen Winkel von 10º zur Faserachse liegen, während die Fasern in der nächsten benachbarten Schicht alle mit einem Winkel von 20º zum Winkel der Fasern der ersten Schicht beabstandet sind, jedoch ebenso mit 10º zur Faserachse liegen. Die Fasern in der dritten Schicht liegen in Bahnen parallel zu jenen der ersten Schicht, während jene der vierten Schicht parallel zu den Fasern in der zweiten Schicht liegen. Dies wird durch Auslassen der Dorndrehungsumkehrung für die erste Halbdrehung einer jeden neuen Schicht erreicht. Wenn eine einzige Umkehrung ausgelassen worden ist, wird für das Ablegen aller übrigen Fasern in dieser bestimmten Schicht die Umkehrung der Dorndrehung fortgesetzt, wie in Verbindung mit Fig. 2 dargestellt ist. Das so erzeugte Faserbündel besitzt verbesserte Strömungseigenschaften mit einem dichten und gleichirtäßigen Faserpackungsanteil, der sehr gute Strömungseigenschaften für die in Längsrichtung des Faserbündels strömende Speisefluidmischung ergibt. Alle Fasern einer jeweiligen Schicht besitzen eine gemeinsame Wicklungsrichtung, die jener der Fasern in den benachbarten Schichten entgegengesetzt ist, wobei die Fasern jedoch nicht verflochten sind. Durch Steuern der Auslassung der einzelnen Umkehrung, was zur Änderung der Wicklungsrichtung der anschließend abgelegten Fasern führt, kann die Schichtdicke von ein oder zwei Faserdurchmessern bis auf mehrere solche Durchmesser aufgebaut werden. Die Wicklungswinkel können von Schicht zu Schicht vom Kern zum Bündeläußeren systematisch verringert werden, um die effektiven Faserlängen über das gesamte Bündel konstant zu halten.
• In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, in der eine Überquerungsführung den Wicklungsarm ersetzt, der in Verbindung mit den Fig. 2, 3 und 4 beschrieben worden ist. Wie in Fig. 5 gezeigt, besitzt ein Dorn 23 eine rechte Zylinderoberfläche 24 und flache Stirnflächen 26 und 27. Die Dornoberfläche 24 besitzt zwei kreisförmige Kanten 28 (benachbart zur Stirnfläche 26) und 29 (benachbart zur Stirnfläche 27). Die Oberfläche 24 ist ferner symmetrisch um eine Achse angeordnet, auf der eine Antriebswelle 30 liegt, die von einem Motor 31 und einer in einem Lager 33 montierten Unterstützungswelle 32 angetrieben wird. Die Faser wird von einer Überquerungsführung 34 zugeführt, die auf einer Spindel 36 montiert ist, welche vom Motor 37 angetrieben wird und im Lager 38 unterstützt ist. Die Hohlfasermembran 39 wird von der Vorratsspule 40 über ein Rad 41 durch das Zentrum des Überquerungarms 34 zugeführt und auf der Oberfläche 24 des Dorns 23 abgelegt, wenn der Überquerungsarm durch wechselnde Drehung der Welle 36 und des Motors 37 längs des Dorns vor und zurück bewegt wird. Wenn die Faser jeweils eine Überquerung beendet, wird sie an einem Punkt auf dem Dorn an den Kanten 28 und 29 oder an Punkten in nächster Nähe zu diesen Kanten durch eine später beschriebene Vorrichtung befestigt. Die Drehung des Dorns 23 im Zusammenwirken mit der Überquerung des Arms 34 wird in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben. Durch die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform ist jedoch offensichtlich, daß der Mechanismus zum Zuführen der Faser zum Faserbündel durch die Verwendung eines Überquerungsarms beträchtlich vereinfacht wird und daß ferner der Faserverbrauch in den Schichten verringert wird, da keine Überquerung der Stirnflächen des Dorns oder des Bündels erforderlich ist. Obwohl Fig. 5 die Beziehung des Dorns und dessen Funktionsweise vertikal darstellt, geschieht dies nur in Fortsetzung der beschriebenen anderen Ausführungsformen, wobei der Vorgang mit einer horizontalen Anordnung des Dorns einfacher durchgeführt werden kann. Ferner können mehrere Überquerungsarme im gleichen Winkelabstand um den Dorn angeordnet sein, um die für die Herstellung eines Bündels erforderliche Zeitspanne zu verkürzen. Außerdem kann an jeder Überquerungsstelle gleichzeitig mehr als eine Faser abgegeben werden. Es sollte jedoch klar sein, daß das Ablegen mehrerer Fasern auf die gleiche Weise ebenso durch mehrere Wicklungsarme oder durch mehrere Faserspendervorrichtungen erreicht werden kann. In Fig. 6 sind vier aufeinanderfolgende Vorgänge in vier Ansichten 6a, 6b, 6c und 6d gezeigt. In jeder Ansicht a bis d besitzt der Dorn 42 eine obere kreisförmige Kante 43 sowie eine untere kreisförmige Kante 44. Die Faser wird entlang der Dornoberfläche von Punkt 1 bis Punkt 2 abgelegt, während sich der Faserüberquerungsarm von Punkt A zu Punkt B bewegt und sich der Dorn im Uhrzeigersinn um den Winkel βs dreht, wie durch die Pfeile 46 gezeigt ist. Die Faser wird im Punkt 2 am Dorn oder der vorangehenden Faserschicht mit einem schnell aushärtenden Kleber, wie z. B. Cyanakrylat mit einem Beschleuniger, oder einen wärmeaushärtenden Polymer befestigt. Im nächsten Schritt, der in der Ansicht 6b dargestellt ist, wird die Dorndrehrichtung umgekehrt und der Überquerungsarm bewegt sich von C und B und zurück zu B, wobei eine kurze Faserschleife erzeugt wird. Die Drehrichtungsumkehr während dieses Schrittes, die sehr kurz sein kann, ist durch einen Doppelpfeil 47 gezeigt. Während dieser Bewegung führt der Dorn eine Drehung im Uhrzeigersinn um βe aus, die die Teilung zwischen aufeinanderfolgenden Faserpositionen bestimmt. Dann wird die Faser wie oben beschrieben mit einem Kleber am Punkt 3 angebracht, wobei jede geeignete, nicht gezeigte, Vorrichtung verwendet werden kann, um die Faserschleife, die während der Überquerungsarmbewegung von der Position B zu C und zurück zu B gebildet worden ist, zu halten, bis der Kleber ausreichend ausgehärtet ist.
• Im nächsten Schritt, der in der Ansicht C gezeigt ist, wird die Faser vom Punkt 3 auf der ringförmigen Kante 44 des Dorns 42 oder von einem Punkt sehr nahe bei dieser Kante zum Punkt 4, der sich auf der ringförmigen Kante 43 oder sehr nahe bei dieser befindet, abgelegt, während sich der Dorn im Gegenuhrzeigersinn um den Winkel βs dreht, der den Drehwinkel des in der Ansicht 6a gezeigten ersten Schrittes entspricht. Während dieses Schritts bewegt sich der Überquerungsarm von der Position B nach A, wobei die Faser anschließend mit einem Kleber am Punkt 4 befestigt wird. Im letzten Schritt der Folge, der in der Ansicht 6d gezeigt ist, bewegt sich der Überquerungsarm von der Position A zur Position D und anschließend zurück zur Position A, wobei eine Faserschleife gebildet wird, während gleichzeitig die Drehrichtung des Dorns 42 von der durch den Pfeil 48 in der Ansicht 6c gezeigten Drehrichtung in die entgegengesetzte Drehrichtung umgekehrt wird, wie in Ansicht 6d durch einen Doppelpfeil 49 gezeigt ist. Während dieser Bewegung führt der Dorn erneut eine Drehung im Uhrzeigersinn um einen Winkel βe aus, so daß, wenn die Faser zu einem Punkt auf oder nahe der ringförmigen Kante 43 der Dornoberfläche 42 zurückkehrt, die Faser im Punkt 5 und 4 um einen Abstand versetzt ist, der entsprechend dem gewünschten Packungsanteil der Faser festgelegt ist. Auf ähnliche Weise wird ein Kleber aufgetragen, um die Faser am Punkt 5 zu befestigen, wobei die in den Ansichten 6a bis d dargestellten Schritte wiederholt werden, bis die vollständige Faserschicht ausgebildet worden ist. Die nächste Schicht kann mit Fasern im gleichen Winkel wie die erste Schicht oder mit Fasern in einem Winkel entgegengesetzt zu jenem der ersten Schicht ausgebildet werden. Die Umkehrung des Winkels der Fasern wird durch Auslassen der Richtungsumkehrung des Dorns in dem Schritt, der in der Ansicht 6b oder 6d gezeigt ist, nach dem Ablegen der letzten Faser der vervollständigten Schicht bewerkstelligt. Wie oben beschrieben ist, bewirkt eine einzige Auslassung einer Richtungsumkehrung während des Ablegens einer Faser über die Oberfläche des Dorns und anschließendes Fortsetzen der Umkehrungen während der abwechselnden Durchläufe zum Ablegen der Faser auf der Dornoberfläche diese Umkehrung des Wicklungswinkels oder der Richtung für die Fasern in den Schichten. Wie oben beschrieben, können benachbarte Faserschichten Fasern besitzen, die in parallelen Linien verlaufen, oder die Linien können sich mit wechselnden Faserschichten, die in parallelen Bahnen liegen, kreuzen. Durch Programmieren der regelmäßigen Umkehrungen und der Auslassung einzelner Umkehrungen zu den Anfängen der gewünschten Schichterzeugung, wenn eine Umkehrung der Richtung gewünscht ist, können alle Kombinationen dieser Veränderung der Wicklungsrichtung von Schicht zu Schicht oder von Schichtgruppen zu anderen Schichtgruppen bewirkt werden. Ferner kann bei der Ausführungsform, die den Überquerungsarm verwendet, die Drehgeschwindigkeit des Dorns während des Wickelns der aufeinanderfolgenden Schichten eingestellt werden, um eine konstante Teilung zwischen benachbarten Fasern zu erreichen, um einen konstanten Packungsanteil der Fasern beizubehalten. Diese Einstellung ergibt eine Veränderung der Dorngeschwindigkeit im umgekehrten Verhältnis zum Radius der Faserschicht. Dies verringert den Längenunterschied, der ansonsten zwischen den Fasern vom Kern zum Außenbereich des Faserbündels auftreten würde.
• Nach der Fertigstellung der Wicklung des Bündels bis zum erforderlichen Durchmesser werden bei jeder Ausführungsform eine oder beide Stirnflächen des Bündels in einem Gießharz eingekapselt, wobei die Stirnflächen dieser einen Stirnfläche oder dieser beiden Stirnflächen der vergossenen Bereiche aufgeschnitten werden, um für die Fluidströmung Zugang zum inneren Kern der Fasern zu erlangen. Nach der Montage dieses Bündels, dessen Enden auf diese Art vergossen sind, in einem geeigneten Gehäuse dient das Gießharz als Rohrboden für die Hohlfasern und ermöglicht das Trennen der Fluidströmung zwischen den Kernen der Fasern und deren Außenumgebung für eine wirksame Trennung von Fluidkomponenten.
• Das Verfahren dieser Erfindung hat gegenüber jenen des Standes der Technik mehrere Vorteile im Betrieb, wovon einer darin besteht, daß die Drehebene des Wicklungsarms parallel zur Achse des Dorns sein kann und nicht geneigt sein muß, um den gewünschten Winkel für die Fasern zu erzeugen. Dies ermöglicht wiederum, daß eine geformte Stirnfläche des Dorns verwendet werden kann, wenn ein Wicklungsarm verwendet wird, um den Wicklungswinkel längs des Bündels zu steuern und das Ablegen der Fasern um die den Dorn unterstützende Spindel zu erleichtern. Wenn ein Kleber zum Anbringen der Fasern und ein Überquerungsarm wie in Fig. 5 gezeigt verwendet werden, wird der Faserverbrauch beträchtlich verringert, da es nicht notwendig ist, die Stirnflächen des Dorns vollständig zu überqueren, bevor mit einem weiteren Durchlauf des Ablegens der Faser auf der Dornoberfläche fortgefahren wird. Noch wichtiger ist, daß durch kontinuierliches Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Dorns von Schicht zu Schicht oder von Schichtgruppen zu anderen Schichtgruppen die Faser in einem konstanten Winkel zur Dornachse gehalten wird und folglich eine konstante Länge über das gesamte Bündel besitzt. Das Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Dorns ergibt ferner eine konstante Teilung zwischen den Fasern und ergibt einen konstanten Packungsanteil über den sich ändernden Bündeldurchmesser. Dabei ändert sich die Anzahl der Fasern in jeder Schicht proportional zum Durchmesser des Bündels.
• Die Erfindung kann verwendet werden, um Hohlfaserbündel aus jedem Membranmaterial zu erzeugen, das bekanntermaßen mittels Durchdringung der semipermeablen Membran die Trennung von Fluidkomponenten bewirkt. Gießharze zum Abdichten der Enden der Fasern, wie z. B. Epoxidharze oder Polyurethanharze, sind allgemein bekannt, wobei die Faserbündel in undurchlässigen Kunststoffkassetten, die aus Material wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen gefertigt sind, befestigt werden können. Die Konstruktion von Trennmodulen unter Verwendung von Faserbündeln dieses Typs ist allgemein bekannt, wobei diese Erfindung vorteilhaft auf die Herstellung von Hohlfasermembranbündeln für jede Trennaufgabe angewendet werden kann.
• Wenn die Ausführungsform der Erfindung mit Überquerungsarm verwendet wird, wird die Hohlfaser von einer geeigneten Vorrichtung gegriffen, so daß die Umkehrung der Überquerungsrichtung nicht zu einer Bewegung des zuletzt auf der Oberfläche des Dorns oder der vorangehenden Faserschicht abgelegten Faserstücks führt. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist, daß nur so viel Faser verbraucht wird, wie für die aktive Länge des Faserbündels erforderlich ist, zuzüglich desjenigen Bereichs der Faser, der mit Gießharz durchdrungen wird, zuzüglich einer kleinen zusätzlichen Fasermenge, die bei dem Vorgang des Greifens der Faser am Überquerungsumkehrpunkt verloren geht. Die Überquerungs- und Kerndrehungsbewegungen werden jeweils mit ausreichender Genauigkeit gesteuert, um eine exakte Plazierung jedes Faserstücks in einer Position zu ermöglichen, die längs des Umfangs auf der Dornoberfläche um ein bestimmtes Maß gegenüber dem zuletzt abgelegten Faserstück verschoben ist. Dieser Vorgang eignet sich sehr gut für einen automatisierten Betrieb mit bekannten und verfügbaren Präzisionsdigitalantriebsmotoren.
• Es können mehrere unterschiedliche Vorrichtungen verwendet werden, um die Fasern an oder nahe bei den Stirnflächen des Bündels zu befestigen, wenn die Fasern abgelegt werden. Zum Beispiel können eine Litze oder Litzen nicht aktiver Fasern über die Faser gewickelt werden, die die Faser an jeder Stirnfläche in den Kern drücken, wenn sie diese Stirnfläche erreicht und die Überquerungsumkehrung stattfindet. Eine solche Litze oder solche Litzen können aus einem geschmolzenen Kleberpolymer gefertigt sein, wobei anschließend dem Punkt, an dem die Litze die Hohlfaser einschließt, Wärme zugeführt wird. Alternativ kann ein geschmolzener Kleber durch eine Düse oder eine andere Auftragsvorrichtung im Umkehrpunkt auf die Faser und den Kern aufgetragen werden, anfangs auf den Dorn und dann auf die Fasern, wenn der Herstellungsprozeß des Bündels fortschreitet. Ferner können schnell härtende Kleber oder Kleber verwendet werden, die in einem schnellflüchtigen Lösungsmittel verwendet werden, das in jeder Umkehrposition auf die Faser gesprüht wird. Ein solches Lösungsmittel kann flüssiges Kohlendioxid sein. Ferner können die Fasern durch eine Rolle oder einen Amboß gepreßt und erwärmt werden, um eine Schmelzverbindung der Fasern mit dem Kern oder den folgenden Faserschichten und anschließend von Faser zu Faser zu bewirken, wenn sie abgelegt und an den Enden der Dornoberfläche befestigt werden. Es können andere Vorrichtungen verwendet werden, die eine ausreichende Haltewirkung erzeugen, um die Fasern am Ende jeder Überquerung zu befestigen, wie z. B. eine klettverschlußähnliche Anschlußfläche oder eine "whisker-disc". Die Faserschleifen, die vom Überquerungsarm am Ende jedes Durchlaufs gebildet werden, können durch einen dünnen Haken, Draht oder Stift, der am Umkehrpunkt in die Bahn der Faser bewegt wird, gegriffen werden, um für eine Zeitspanne, die für das Kleben oder das Wirksamwerden einer anderen Befestigungsvorrichtung ausreicht, zu verhindern, daß die Faser von der Position weggezogen wird. Ein solcher Haken wird dann während des Überquerungszyklus zurückgezogen, so daß er seinen Greifvorgang bei dem nächsten zu erreichenden Faserstück wiederholen kann. Es ist möglich, daß der Befestigungsvorgang mit dem Gießvorgang kombiniert wird, indem ein Material verwendet wird, das das gleiche ist wie das abschließende Gießharz oder mit diesem kompatibel ist, so daß zu dem Zeitpunkt, zu dem die Herstellung des Bündels durch Ablegen der Hohlfasern abgeschlossen ist, auch das Vergießen der beiden Enden des Bündels im wesentlichen abgeschlossen ist. Dann können die Faserkerne an einem oder an beiden Enden des Bündels nach dem vollständigen Aushärten des Gießharzes, falls ein solches Nachhärten erforderlich ist, geöffnet werden.
• Das Überquerungselement kann eine Gruppe von Fasern greifen, z. B. 5 bis 20 Hohlfasern, und diese als ein "Band" auf dem Kern ablegen. Solche Hohlfasern können in einem vorangehenden Schritt durch Spinnen oder Beschichten zu einer Gruppe zusammengefaßt oder nur für die Bündelwicklung zusammengeführt worden sein. Es können zwei oder mehr Überquerungselemente gleichzeitig bewegt werden, die die Fasern zu benachbarten und in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen auf dem Kern zuführen. Wenn mehrere Fasern gleichzeitig gelegt werden, müssen die Überquerungs- und Drehgeschwindigkeiten langsam genug sein, um eine ausreichende "Verweilzeit" an jedem Umkehrpunkt zu ermöglichen und somit den Schritt des Befestigens der Fasern am jeweiligen Ende des Bündels zu erleichtern.
• Als alternative Ausführungsform kann ein Faserbündel gemäß dieser Erfindung hergestellt werden, indem ein Kern verwendet wird, der sich von einem Ende zum anderen im Durchmesser leicht verjüngt. Eine solche Form würde bewirken, daß am schmaleren Ende des Kerns eine etwas dichtere Packung der Hohlfasern erzeugt wird als am breiteren Ende. Dies bringt einige günstige Auswirkungen auf die Speiseströmung innerhalb des Bündels mit sich, wenn das Speisefluid an dem weniger dicht gepackten Ende eingeleitet wird.
• Aus der vorangehenden Beschreibung und den Zeichnungen werden für die Fachleute diese und andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offensichtlich, die den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht verlassen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlfasermembranbündels aus kontinuierlichen Faserlitzen durch Ablegen von Faserstücken auf einem axial sich erstreckenden, drehbaren Unterstützungselement längs Bahnen, die durch Bewegen des Ablegepunktes bestimmt sind, so daß die Faserstücke schraubenlinienförmigen Bahnen folgen und umschließende Schichten bilden, in denen alle Faserstücke eine gemeinsame Wicklungsrichtung besitzen, wobei:

(a) der Ablegepunkt wiederholt und abwechselnd von Stirnfläche zu Stirnfläche des Bündels bewegt wird;

(b) die Drehrichtung des Unterstützungselements immer dann umgekehrt wird, wenn die Axialrichtung des Ablegepunktes umgekehrt wird, bis eine erste Anzahl von Stücken abgelegt worden ist, wobei diese erste Anzahl so gewählt wird, daß eine erste Schicht von Faserstücken erzeugt wird, die das Bündel umschließt;

(c) nach dem Ablegen der ersten ausgewählten Anzahl von Stücken die Drehrichtung einmal nicht umgekehrt wird, wenn eine Umkehrung der Richtung der Axialbewegung des Ablegepunktes stattfindet, so daß das nächste Faserstück in einer Wicklungsrichtung abgelegt wird, die jener der Faserstücke, die die erste Schicht bilden, entgegengesetzt ist;

(d) die Umkehrungen der Axialbewegung des Ablegepunktes und der Drehrichtung des Unterstützungselementes anschließend fortgesetzt werden, bis eine zweite Anzahl von Stücken in dieser entgegengesetzten Wicklungsrichtung abgelegt worden ist, wobei diese Anzahl von Stücken so gewählt ist, daß eine zweite Schicht von Faserstücken erzeugt wird, die das Bündel umschließt; und

(e) das Ansammeln aufeinanderfolgender Schichten von Faserstücken, die alle in einer gemeinsamen Wicklungsrichtung, jedoch in der den Faserstücken in den benachbarten Schichten entgegengesetzten Richtung liegen, bewirkt wird, indem die Schritte (c) und (d) wiederholt werden, bis ein gewünschter Bündeldurchmesser erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das umfaßt:

(a) Ablegen eines ersten Stückes einer Hohlfaser auf einem Dorn mit einer rechten Zylinderoberfläche, die symmetrisch zu seiner Achse angeordnet ist und ein Schlankheitsverhältnis größer als 1 besitzt, wobei das Ablegen von einem ersten Punkt auf oder nahe bei einer ersten kreisförmigen Kante der Oberfläche zu einem zweiten Punkt auf oder nahe bei der zweiten kreisförmigen Kante ausgeführt wird;

(b) Drehen des Dorns um die Achse während des Schrittes (a) in eine Richtung, so daß die Bahn des so in einer ersten Wicklungsrichtung abgelegten Faserstückes mit der Achse einen Wicklungswinkel bildet;

(c) Führen der Bahn der Faser vom zweiten Punkt zu einem dritten Punkt auf oder nahe der zweiten Kante, der vom zweiten Punkt längs des Umfangs auf der zweiten Kante verschoben ist;

(d) Ablegen eines zweiten Faserstückes auf dem Dorn vom dritten Punkt zu einem vierten Punkt auf oder nahe bei der ersten Kante;

(e) Drehen des Dorns während des Schrittes (d) in die der Richtung des Schrittes (b) entgegengesetzte Drehrichtung, so daß die Bahn des im Schritt (d) abgelegten Faserstückes parallel zur Bahn des ersten Faserstükkes ist, jedoch nicht auf derselben liegt;

(f) Fortsetzen des Ablegens von Faserstücken in mehreren Hin- und Rückläufen auf der Dornoberfläche, wobei die Durchläufe von Punkten auf oder nahe bei der ersten Kante zu Punkten auf oder nahe bei der zweiten Kante und die Durchläufe von Punkten auf oder nahe beider zweiten Kante zu Punkten auf oder nahe bei der ersten Kante einander abwechseln, während sich der Dorn für die abwechselnden Durchläufe längs des Dorns in entgegengesetzte Richtungen dreht, so daß bei jedem Durchlauf längs einer Bahn, die parallel zur Bahn des im unmittelbar vorangehenden Durchlauf auf der Oberfläche abgelegten Faserstückes ist, jedoch nicht auf derselben liegt, ein Faserstück abgelegt wird, bis eine ausreichende Anzahl von Faserstücken abgelegt worden ist, um eine Wicklungsschicht von Faserstücken zu erzeugen, die alle eine gemeinsame Wicklungsrichtung, einen gemeinsamen Winkel bezüglich der Dornachse sowie eine gewünschte Packungsdichte besitzen, wodurch eine erste Schicht gebildet wird;

(g) anschließendes einmaliges Auslassen der Umkehrung der Dorndrehung ohne Unterbrechung der abwechselnden Überquerung des Ablegepunktes von Kante zu Kante, wodurch das nächste abgelegte Faserstück einer schraubenlinienförmigen Bahn folgt, deren Richtung den Bahnen der in der ersten Schicht enthaltenen Faserstücke entgegengesetzt ist, und Fortsetzen des Ablegens von Faserstücken längs Bahnen mit einer Wicklungsrichtung, die den in der ersten Schicht enthaltenen Faserstücken entgegengesetzt ist, bis eine ausreichende Anzahl von Faserstücken abgelegt worden ist, um eine Wicklungsschicht von Faserstükken zu erzeugen, die alle eine gemeinsame Wicklungsrichtung und einen gemeinsamen Winkel bezüglich der Dornachse besitzen, wodurch eine zweite Schicht ausgebildet wird, in der die Fasern in einer zur ersten Schicht entgegengesetzten Wicklungsrichtung liegen; und

(h) Wiederholen der Schritte (f) und (g), bis eine ausreichende Anzahl von Schichten angesammelt worden ist, um ein Bündel mit gewünschtem Durchmesser und gewünschter Faserpackungsdichte auszubilden, das mehrere Wicklungsschichten enthält, in welchen die Fasern einer jeden Schicht einen gemeinsamen Wicklungswinkel und eine gemeinsame Wicklungsrichtung besitzen, wobei die Fasern in benachbarten Schichten in entgegengesetzte Wicklungsrichtungen orientiert sind, ohne daß Fasern entgegengesetzter Wicklungsrichtungen verflochten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem der Dorn eine erste im wesentlichen halbkugelförmige Stirnfläche, die an die erste Kante angrenzt, sowie eine zweite im wesentlichen halbkugelförmige Stirnfläche, die an die zweite Kante angrenzt, besitzt und die Bahn jedes Faserstückes, die an jeder Kante in Umfangsrichtung verschoben ist, dem Umfang der einen oder der anderen Stirnfläche folgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Umkehrung der Drehung und die Umkehrung der Überquerung von Stirnfläche zu Stirnfläche des Ablegepunktes leicht asynchron sind, wodurch die Bahn jedes abgelegten Faserstückes parallel zur Bahn des unmittelbar vorher abgelegten Faserstückes ist, jedoch nicht auf derselben liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem die Bewegung des Ablegepunktes von Stirnfläche zu Stirnfläche durch eine Führung am Ende eines Arms erzeugt wird, der sich auf einer kreisförmigen Bahn in einer Ebene bewegt, die gegenüber der Ebene, in der die Dornachse liegt, verschoben und um einen gewählten Winkel geneigt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem die Bewegung von Stirnfläche zu Stirnfläche des Ablegepunktes durch eine Führung erzeugt wird, die mit einem Träger in Eingriff ist, der sich längs einer zur Dornachse parallelen Linie hin und her bewegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in dem der hin und her bewegte Träger von einer Gewindespindel angetrieben wird, deren Drehzahl und Drehrichtung gesteuert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, in dem der Träger durch eine Kette oder einen Riemen bewegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in dem die Drehzahl des Dorns oder die Geschwindigkeit des Ablegepunktes von Schicht zu Schicht eingestellt wird, während der Bündeldurchmesser anwächst, um den Wicklungswinkel der Faser in aufeinanderfolgend abgelegten Schichten einzustellen, wodurch die Bahnlängen der Fasern innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden.